交流勵磁發(fā)電機系統(tǒng)的控制與仿真畢業(yè)論文

1、<p><b>　　【摘 要】</b></p><p>　　交流勵磁發(fā)電機的基本結構與繞線式異步電機相同，其定子側杰電網，轉子上采用三相對稱分布的勵磁繞組，由變頻器提供對稱交流電勵磁，且勵磁電壓的幅值大小、頻率、相位、相序都可根據(jù)要求加以控制，從而可以控制發(fā)電機勵磁磁場大小、相對于轉子的位置和電機的轉速，使得交流勵磁發(fā)電機具有良好的穩(wěn)定性及轉速適應能力、獨立的有功與無功調節(jié)能力和較

2、強的進相運行能力，特別適合應用于需要變速運行的水電機組、抽水蓄能機組和風電機組，性能超越傳統(tǒng)同步發(fā)電機和感應發(fā)電機，因而有著廣闊的應用前景。</p><p>　　勵磁控制系統(tǒng)在形成交流勵磁發(fā)電機的優(yōu)良特性方面起著關鍵作用主要工作內容和成果如下：</p><p>　　研究交流勵磁發(fā)電機的a-b-c坐標系數(shù)學模型、d-q-0坐標系數(shù)學模型。給出了交流勵磁發(fā)電機在同步旋轉坐標下的基本方程，并得出

3、定轉子有功功率、無功功率表達式。對交流勵磁發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定性的研究和暫態(tài)穩(wěn)定性的研究。采用定子磁場定向的方法對交流勵磁發(fā)電機系統(tǒng)進行矢量控制研究，得出矢量控制方程，確定交流勵磁發(fā)電機變速恒頻運行以及有功無功解耦調節(jié)的控制策略。述了交流勵磁發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的矢量控制技術后，實用matlab/simulink軟件對系統(tǒng)進行了仿真分析。</p><p>　　關鍵詞：交流勵磁發(fā)電機；矢量控制；變頻器；matlab/simul

4、ink</p><p>　　【Abstract】</p><p>　　The basic structure of AC excited generator winding asynchronous motor with the same power, the stator side - the rotor excitation winding, the three-phase symme

5、trical distribution, symmetrical alternating current excitation provided by the inverter, and the excitation voltage amplitude, frequency, phase, phase sequence can be controlled according to the requirements, which can

6、control the generator excitation magnetic field, with respect to the rotor position and speed of the motor, the AC exci</p><p>　　Excitation control system plays a key role in the main contents and results ar

7、e as follows in the excellent characteristics of formation of AC excited generator:</p><p>　　Study of AC excited generator a-b-c coordinate mathematical model, the d-q-0 coordinate mathematical model. The ba

8、sic equations of AC excited generator in synchronous rotating coordinates is given, and the stator active power, reactive power expression without. Research on the static stability of AC excited generator research and tr

9、ansient stability. By using the method of stator flux oriented vector control of AC excited generator system, the vector control equations, determine the operation VS</p><p>　　Key Words: AC Excited Generator

10、 ; Vector Control ; Inverter ; MATLAB/Simulink</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　引言1</b></p><p>　　交流勵磁發(fā)電機的研究現(xiàn)狀2</p><p><b>　　本文主要內容3</b&

11、gt;</p><p>　　1 交流勵磁發(fā)電機的結構與運行特性4</p><p>　　2. 交流勵磁發(fā)電機的數(shù)學模型6</p><p>　　2.1 a-b-c三相坐標系中交流勵磁發(fā)電機的數(shù)學模型6</p><p>　　2.1.1 電壓方程式7</p><p>　　2.1.2 磁鏈方程式7</p>

12、<p>　　2.1.3交流勵磁發(fā)電機的功率方程10</p><p>　　2.1.4機電運動方程式10</p><p>　　2.2 坐標變換10</p><p>　　2.2.1 坐標變換的原則和基本概念10</p><p>　　2.2.2 3s/2s坐標變換12</p><p>　　2.2.3 2s

13、/2r坐標變換14</p><p>　　2.2.4 3s/2r坐標變換15</p><p>　　2.3 d-q-0 坐標系中交流勵磁發(fā)電機的數(shù)學模型16</p><p>　　2.3.1 電壓方程式16</p><p>　　2.3.2 磁鏈方程式17</p><p>　　2.4 交流勵磁發(fā)電機基本電磁關系20

14、</p><p>　　2.5 交流勵磁發(fā)電機能量流動與平衡關系22</p><p>　　2.5.1 交流勵磁發(fā)電機能量流動關系22</p><p>　　2.5.2 交流勵磁發(fā)電機功率平衡關系22</p><p>　　3 交流勵磁發(fā)電機勵磁系統(tǒng)矢量控制策略26</p><p>　　3.1 矢量控制概述26<

15、;/p><p>　　3.2 現(xiàn)有交流勵磁發(fā)電機勵磁控制策略分析28</p><p>　　3.3 交流勵磁發(fā)電機勵磁系統(tǒng)矢量控制策略28</p><p>　　3.3.1 交流勵磁發(fā)電機矢量控制策略28</p><p>　　3.3.2 交流勵磁發(fā)電機功率矢量控制31</p><p>　　4 交流勵磁發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的運

16、行控制34</p><p>　　4.1 PWM控制交-直-交變頻器的基本工作原理34</p><p>　　4.1.1 不可控整流電路35</p><p>　　4.2 中間電路36</p><p>　　4.2.1濾波電路36</p><p>　　4.2.2 電感濾波36</p><p>

17、;　　4.3 逆變電路的工作原理及基本形式36</p><p>　　4.3.1 逆變電路的工作原理36</p><p>　　4.4 PWM逆變電路的控制方式37</p><p>　　4.4.1. 單極性方式37</p><p>　　4.4.2.雙極性控制方式37</p><p>　　5 交流勵磁發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)

18、定性的研究39</p><p>　　5.1 交流勵磁發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定性的機理分析39</p><p>　　5.2 交流勵磁發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定性的穩(wěn)定極限仿真分析45</p><p><b>　　5.4小結49</b></p><p>　　6 交流勵磁發(fā)電機暫態(tài)穩(wěn)定性的研究50</p><p>

19、　　6.1 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性概述50</p><p>　　6.2 發(fā)電機暫態(tài)功率頻率特性和飛輪效應51</p><p>　　7 交流勵磁發(fā)電機交-直-交變頻器仿真54</p><p>　　8 交流勵磁發(fā)電機系統(tǒng)仿真57</p><p>　　8.1 交流勵磁發(fā)電機系統(tǒng)模型57</p><p>　　8.2 調節(jié)

20、勵磁電壓大小對系統(tǒng)有功無功的影響60</p><p>　　8.2 調節(jié)勵磁電壓頻率對系統(tǒng)有功無功的影響61</p><p>　　8.3 調節(jié)勵磁電壓相位對系統(tǒng)有功無功的影響62</p><p>　　8.4 調節(jié)勵磁電壓相序對系統(tǒng)有功無功的影響63</p><p><b>　　9 結論65</b></p&g

21、t;<p><b>　　致謝66</b></p><p><b>　　參考文獻67</b></p><p><b>　　引言</b></p><p>　　現(xiàn)在電力系統(tǒng)的發(fā)展主要呈現(xiàn)以下幾個趨勢：（1）發(fā)電機單機容量日益增大，系統(tǒng)容量越來越大，輸電電壓等級越來越高，且輸電線路長度不斷增

22、加；（2）電網日負荷曲線的不均勻性不斷加劇；（3）在我國以原子核裂變所產生的能量建立的核電站數(shù)量逐漸增多；（4）充分利用水力、風力等可再生性資源，大力發(fā)展水力、風力發(fā)電。現(xiàn)代電力工業(yè)的這些趨勢，使得現(xiàn)在以傳統(tǒng)同步發(fā)電機組為基礎的電力系統(tǒng)，暴露出越來越多的技術問題急待加以解決[1]。</p><p>　　由于輸電線路電壓等級的提高，且線路不斷加長，負荷曲線的不均勻性加劇，當輸電線路傳輸功率低于自然功率時，輸電線路將

23、出現(xiàn)過剩的無功功率，從而導致電站和線路持續(xù)工頻過電壓，危及系統(tǒng)的安全運行，使線路損耗增加，嚴重時還會使發(fā)動機無法并網。長線的出現(xiàn)使發(fā)動機及系統(tǒng)的穩(wěn)定問題更為突出。解決上述問題的傳統(tǒng)方法是：同步發(fā)電機進相運行；電站或線路上加裝電抗器、靜止無功補償裝置或同步調相機，加裝補償設備增加了電站及系統(tǒng)的投資，當同步發(fā)電機進相運行時，為保證發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定儲備需降低輸出，影響電站運行效益。隨著技術的發(fā)展，提出了一些新方法來解決電站和線路的持續(xù)工頻過電壓

24、、穩(wěn)定性問題，如緊湊型線路、直流輸電技術、FACTS技術等。二十世紀七十年代，前蘇聯(lián)提出在電力系統(tǒng)中采用異步化同步發(fā)電機（包括異步化汽輪發(fā)電機和異步化水輪發(fā)電機，相應轉子為直流和交流）部分取代同步發(fā)電機的辦法來解決電站因無功過剩引起的持續(xù)工頻過電壓和穩(wěn)定性問題。</p><p>　　為適應系統(tǒng)負荷曲線變化，較好的解決辦法是在電力系統(tǒng)中建立一定容量的抽水蓄能電站，這種電站能承擔尖峰負荷和填平負荷低谷，目前已被全世界

25、公認為是最有效的手段。國外的實踐證明，抽水蓄能電站機組采用可逆型最佳，因為這種機組結構緊湊，廠房和輔助設備少，造價低，但這種機組由于水輪機兼作水泵，要使在電動和發(fā)電狀態(tài)下都到達較高的效率，需機組可變速。但傳統(tǒng)的電動-發(fā)電機組是直流勵磁的同步電機，調速比較困難，且特性差，此外該機組需電動狀態(tài)運行時，啟動比較困難，為解決蓄能機組的調速、啟動，日本已研究并投入運行了交流勵磁電動-發(fā)電機，并取得了良好的效益。另外，若在水輪機組上采用可變速的交流

26、勵磁發(fā)電機組，則可使水輪機適應不同的水頭，持續(xù)運行在最佳工況。在風力發(fā)電系統(tǒng)中一般也采用變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)，利用交流勵磁發(fā)電機組，通過控制勵磁頻率實現(xiàn)發(fā)電機轉速的調節(jié)，以在風力發(fā)電系統(tǒng)提高風力機的效率，充分利用風能。</p><p>　　交流勵磁發(fā)電機是結合了異步發(fā)電機和同步發(fā)電機的優(yōu)點而發(fā)展起來的一種新型發(fā)電機，具有良好的調速性能、可調節(jié)電網的有功和無功功率、改善電網功率因素、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性等優(yōu)點。在可調速發(fā)

27、電和解決電力系統(tǒng)現(xiàn)存問題等多種場合有著廣闊的市場和發(fā)展前景。</p><p>　　交流勵磁發(fā)電機的研究現(xiàn)狀</p><p>　　由于交流勵磁發(fā)電機具有傳統(tǒng)同步發(fā)電機無可比擬的優(yōu)越性和廣闊的應用前景，因此其理論研究和實踐實際已成為國內外研究和關注的焦點。近些年來，許多國家如前蘇聯(lián)、日本和美國等都對交流勵磁發(fā)電機進行了廣闊的研究，并逐步在工業(yè)領域中得到了應用。</p><p

28、>　　前蘇聯(lián)在異步化同步發(fā)電機的理論研究和工業(yè)應用方面做了大量工作，建立了異步化發(fā)電機的基礎理論，提出了雙通道勵磁控制思想，并對這種電機的設計、運行特性及并網運行性能進行了研究。前蘇聯(lián)已有兩臺50MW異步化水輪發(fā)電機在依奧夫斯克水電站投入正式運行，兩臺發(fā)電機實現(xiàn)了同頻異步并列運行，且成功地實現(xiàn)了在輸出無功和大量吸收無功兩種工況下運行。</p><p>　　日本從上世紀八十年代開始研究交流勵磁發(fā)電機技術[1]

29、，并在飛輪蓄能與抽水蓄能電站的應用方面取得了成功。日本-關西電力公司于1987年投運了世界上第一臺22MW的變速發(fā)電-電動機，并在1993年投運了400MW的可變速抽水蓄能電站；東芝-東京電力公司于1990年運行了80MW的變速發(fā)電機組，并研制成功了300MW的變速交流勵磁發(fā)電機組；高見電站、沖繩發(fā)電機等也相繼采用了可調速交流勵磁發(fā)電機技術。經過日本試驗機組的運行研究表明：通過水輪機的變速運行可以提高水輪機的運行效率，增加水泵運行工況下

30、的自動調頻能力，并通過有功功率、無功功率的快速調節(jié)可以提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。</p><p>　　歐洲、美洲一些國家也就交流勵磁發(fā)電機及其系統(tǒng)進行了大量的理論和實驗研究工作，發(fā)表了大量的文章，包括交流勵磁發(fā)電機運行的基本原理、數(shù)學模型、穩(wěn)態(tài)分析、瞬間分析以及各種實現(xiàn)其有功、無功獨立調節(jié)的勵磁控制模型，同時，對其在風力發(fā)電、船用發(fā)電、水電站變水頭發(fā)電等方面的應用也作了大量的理論分析。</p><

31、p>　　我國在交流勵磁發(fā)電機技術的研究方面起步較晚，開始于八十年代中期。由于國內外對我們實行關鍵技術保密，使我們在交流勵磁變速恒頻發(fā)電技術研究過程中遇到很多困難，致使我們的研究發(fā)展進程比較緩慢。華北電力大學主要開展了雙軸勵磁發(fā)電機及其勵磁控制研究，研制了100MW雙軸勵磁同步發(fā)電機的動態(tài)物理模型，進行了雙軸勵磁發(fā)電機的基本方程及其暫、穩(wěn)態(tài)特性的分析，研究了雙軸勵磁發(fā)電機同頻異步穩(wěn)定運行的物理特性。重慶大學電氣工程系長期開展d、q軸

32、勵磁異步化同步發(fā)電機的理論分析、電磁設計等方面的研究工作。華中科技大學有學者對雙軸勵磁同步發(fā)電機的控制系統(tǒng)進行了研究。哈爾濱大電機研究所與浙江大學、清華大學、沈陽工業(yè)大學等單位合作共同承擔了“380KW交流勵磁變速恒頻發(fā)電機試驗臺”的機械工業(yè)技術發(fā)展基金項目，對水輪發(fā)電機交流勵磁變速運行進行研究，對交流勵磁發(fā)電機的瞬態(tài)運行方式及波形、交流勵磁發(fā)電機的運行特性及穩(wěn)定性問題、仿真程序等方面進行了研究。盡管我國已在交流勵磁發(fā)電機方面加強了研究

33、力量，但是由于種種原因，到目前為止國內還沒有商業(yè)化的實用機組的制造和投運。</p><p><b>　　本文主要內容 </b></p><p>　　本課題研究交流勵磁發(fā)電機運行控制的動態(tài)行為，主要工作有下列幾方面:</p><p>　　(1) 交流勵磁發(fā)電機的結構與運行特性;</p><p>　　(2) 交流勵磁發(fā)電

34、機的勵磁控制;</p><p>　　(3) 交流勵磁發(fā)電機的數(shù)學模型；</p><p>　　(4) 交流勵磁發(fā)電機的靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性分析；</p><p>　　(5) 運用Matlab/Simulink形成仿真模型;</p><p>　　(6) 研究交流勵磁發(fā)電機的暫態(tài)特性及有功和無功的調節(jié)等。</p><p>　　(

35、7) 仿真結果檢驗。</p><p>　　1 交流勵磁發(fā)電機的結構與運行特性</p><p>　　在常規(guī)同步發(fā)電機中，一般在轉子上安放直流勵磁繞組，電機氣隙中同步旋轉磁場的頻率只取決于轉子的轉速，即在定子側得感應電勢頻率取決于轉子的實際旋轉速度。交流勵磁發(fā)電機的基本結構與繞線式異步電機相同，是一種隱極電機，定子側接電網，轉子上采用兩相或三相對稱交流勵磁，轉子多相勵磁的頻率、幅值、相位及相序

36、都可以根據(jù)系統(tǒng)要求加以控制。任何電機在穩(wěn)定運行時，電子旋轉磁勢與轉子旋轉磁勢都是相對靜止、同步旋轉的。對交流勵磁發(fā)電機有：</p><p>　　式中， —定子繞組電流頻率；—轉子繞組電流頻率；—轉子轉速；—極對數(shù)。</p><p>　　可見，當發(fā)電機轉子轉速變化時，如能相應地改變轉子勵磁電壓頻率的大小，即可保證系統(tǒng)輸出電壓頻率恒定。</p><p>　　交流勵磁發(fā)電

37、機系統(tǒng)有如下優(yōu)點：</p><p>　　(1)具有良好的穩(wěn)定性及轉速適應能力。</p><p>　　(2)原動機在一定范圍內變速運行，簡化了調整裝置，減少了調速時機械應力。同時使機組控制更加靈活、方便，提高了機組運行效率。</p><p>　　(3)調節(jié)勵磁電流幅值，可調節(jié)發(fā)出的無功功率；調節(jié)勵磁電流相位，可調節(jié)發(fā)出的有功功率。應用矢量控制可實現(xiàn)有、無功功率的獨立調

38、節(jié)。</p><p>　　(4)變頻控制的功率僅是電機額定容量的一部分，是變頻裝置體積減小，成本降低，投資減少。</p><p>　　交流勵磁發(fā)電機的結構特點決定了其在電力系統(tǒng)中可發(fā)揮如下作用：</p><p>　　(1) 提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。在電力系統(tǒng)負荷突變時，通過快速改變勵磁頻率來迅速改變電機轉速，可以充分利用轉子的動能，釋放或吸收負荷，使電網擾動遠比利用常規(guī)

39、同步電機時輕。</p><p>　　(2)擴大發(fā)電機進相能力，解決電力系統(tǒng)無功過剩問題。同步發(fā)電機在無功進相運行時，隨著無功進相深度的加大，功率角也在加大，當功率角超出穩(wěn)定極限時，會引起發(fā)電機失步，因此，同步發(fā)電機進相能力有限。而對于交流勵磁發(fā)電機，因為可以通過改變轉子電流相位，來使轉子磁場在氣隙空間的位置有一個位移，這就改變了發(fā)電機電勢與電網電壓相量的相對位置，也就改變了電機的功率角。即使在電機吸收大量無功功率

40、時，也不致引起發(fā)電機失步。</p><p>　　(3)滿足風力發(fā)電、潮汐發(fā)電、船舶與航空發(fā)電等轉速變化場合的恒頻發(fā)電要求。</p><p>　　綜上所述，對于交流勵磁發(fā)電機的研究是很有意義的。</p><p>　　2. 交流勵磁發(fā)電機的數(shù)學模型</p><p>　　2.1 a-b-c三相坐標系中交流勵磁發(fā)電機的數(shù)學模型</p>

41、<p>　　交流勵磁發(fā)電機的結構與三相繞線式感應電機相似，定、轉子繞組均具有三相繞組。在研究交流勵磁發(fā)電機的數(shù)學模型時，常做如下的假設[2]：</p><p>　　1、假設發(fā)電機是一臺極對數(shù)為1的繞線式感應機，這臺電機沒有阻尼繞組；</p><p>　　2、設三相繞組對稱，在空間上互差電角度，所產生的磁勢沿氣隙圓周按正弦規(guī)律分布；</p><p>　　3、

42、忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是恒定的；</p><p><b>　　4、忽略鐵芯損耗；</b></p><p>　　5、不考慮頻率和溫度變化對繞組電阻的影響；</p><p>　　圖2-2 交流勵磁發(fā)電機的物理模型</p><p>　　在建立基本方程之前，首先要選定磁鏈、電流和電壓的正方向。圖2-2所示為交流勵磁

43、發(fā)電機的物理模型。圖中，定子三相繞組軸線、、在空間上是固定的，以軸為坐標參考軸；轉子繞組軸線、、隨轉子旋轉，轉子軸和定子軸間的電角度為空間角位移變量。定子電壓、電流正方向從發(fā)電機觀點標示，轉子電壓、電流正方向從電動機觀點標示。選定各項繞組軸線的正方向為各相繞組磁鏈的正方向。</p><p>　　定子、轉子繞組分別連接成星形，定子、轉子各相繞組的電阻分別相等，即</p><p>　　2.1.

44、1 電壓方程式</p><p>　　定子電壓： </p><p>　　轉子電壓： </p><p><b>　　寫成矩陣形式：</b></p><p>　　（2-5） </p><p>　　或寫成：

45、 </p><p>　　式中：—各繞組端電壓；—各繞組電流； —各繞組合成磁鏈； —各繞組電阻；—微分算子；</p><p>　　下標s—定子側參數(shù)；</p><p>　　下標r—轉子側參數(shù)；</p><p>　　2.1.2 磁鏈方程式</p>

46、;<p>　　式（2-5）中各繞組的合成磁鏈是由本繞組的自感磁鏈和本繞組與其他繞組間的互感磁鏈所組成。因此，六個繞組的磁鏈可表達為;</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　或寫成： </p><p>

47、;　　式中，L是66電感矩陣，其中對角線元素，，，，，是各有關繞組的自感，其余各項則是繞組間的互感。</p><p>　　實際上，與電機繞組交鏈的磁通主要有兩類：一類是只與某一相繞組交鏈而不穿過氣隙的漏磁通；另一類是穿過氣隙的相間互感磁通，后者是主要的。定子各相漏磁通所對應的電感稱作定子漏感，由于各相的對稱性，各相漏感值均相等；同樣，轉子各相漏磁通則對應于轉子漏感。與定子一相繞組交鏈的最大互感磁通對應于定子互感，

48、與轉子一相繞組交鏈的最大互感磁通對應于轉子互感，由于折算后定、轉子繞組匝數(shù)相等，且各繞組間互感磁通都通過氣隙，磁阻相同，故可認為。</p><p><b>　　轉子各相自感為：</b></p><p>　　兩相繞組之間只有互感?；ジ杏址譃閮深悾?、定子三相彼此之間和轉子三相彼此之間位置都是固定的，故互感為常數(shù)；2、定子任一相與轉子任一相間的位置是變化的，互感是角位移的

49、函數(shù)?，F(xiàn)在先討論第一類，由于三相繞組的軸線在空間的相位差是。在假定氣隙磁通為正弦分布的條件下，互感值為</p><p><b>　　于是：</b></p><p>　　至于第二類定、轉子繞組間的互感，由于相互間位置的不同，分別為：</p><p>　　當定、轉子兩相繞組軸線一致時，兩者之間的互感值最大，此互感就是每相最大互感。</p>

50、;<p>　　將式（2-8）至式（2-15）都代入式（2-6），即得完整的磁鏈方程，顯然這個矩陣方程是很龐大的。為了方便起見，可以將它寫成分塊矩陣的形式</p><p><b>　?。?-16） </b></p><p>　　式中 </p><p>　　（2-17） </p&g

51、t;<p>　　（2-18） </p><p>　?。?-19） </p><p>　　值得注意的是，和兩個分塊矩陣互為轉置，且與轉子位置有關，它們的元素是變參數(shù)，這是系統(tǒng)非線性的一個根源。為了把變參數(shù)轉換成常參數(shù)需利用坐標變換，將于下節(jié)討論。</p><p>　　把磁鏈方程式（2-7）代入電壓方程式（2-5a），

52、則得展開后的電壓方程</p><p>　?。?-20） </p><p>　　式中項屬于電磁感應電動勢中的脈動電動勢（或稱變壓器電動勢），項屬于電磁感應電動勢中與轉速成正比的旋轉電動勢。</p><p>　　2.1.3交流勵磁發(fā)電機的功率方程</p><p>　　交流勵磁發(fā)電機輸出的功率瞬間表達式為：</p>

53、<p>　?。?-21） </p><p><b>　　寫成矩陣形式為：</b></p><p>　　(2-22) </p><p>　　2.1.4機電運動方程式</p><p>　　由于交流勵磁發(fā)電機一個重要特征是異步化同步運行，因此，了解交流勵磁同

54、步發(fā)電機的機電運動方程式或轉矩平衡方程式尤為重要。</p><p>　　假定原動機輸出的機械轉矩為，與原動機轉矩相平衡的轉矩假設僅由兩部分構成：發(fā)電機的電磁轉矩和由轉子的轉動慣量所決定的慣性轉矩應為，這樣，轉矩之間的平衡關系：</p><p>　?。?-23） </p><p>　　式中—為機械位移角。</p>

55、<p><b>　　電磁轉矩方程為：</b></p><p>　　式中 —為電機極對數(shù)。</p><p>　　由式、、、和構成的描述異步化同步發(fā)電機瞬態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性所需的全部方程式，也就是交流勵磁發(fā)電機的數(shù)學模型。</p><p><b>　　2.2 坐標變換</b></p><p&g

56、t;　　2.2.1 坐標變換的原則和基本概念</p><p>　　對于a-b-c三相坐標下的交流勵磁發(fā)電機數(shù)學模型，要分析和求解這組非線性方程顯然是十分困難的。這個數(shù)學模型之所以復雜，主要是因為有一個復雜的電感矩陣，也就是說影響磁鏈和受磁鏈影響的因素太多了。因此，要簡化數(shù)學模型，須從簡化磁鏈的關系著手。</p><p>　　先研究直流電機的數(shù)學模型，它的數(shù)學模型比較簡單，如圖2-3所示為二

57、級直流電機的物理模型，圖中F為勵磁繞組，A為電樞繞組，C為補償繞組。F和C都在定子上，只有A在轉子上。把F的軸線稱作直軸或d軸，主磁通的方向就在d軸上；A和C的軸線則稱為交軸或q軸。雖然電樞本身是旋轉的，但其繞組通過換向器電刷接到端接板上，電刷將閉合的電樞繞組分成兩條支路，一條支路中的導線經過正電刷后歸入另一條支路中去，在負電刷下又有一條導線補回來。這樣，每條支路中導線的電流方向永遠是相同的，因此，電樞磁勢的軸線始終被電刷限定在q軸位置

58、上，好像一個在q軸上靜止繞組的效果一樣。但它實際上是旋轉的，會切割d軸的磁通而產生旋轉電勢，這又和真正的靜止繞組不一樣，通常把這樣等效的靜止繞組叫做“偽靜止繞組”。電樞磁勢的作用可以用補償繞組磁勢抵消，或者由于其作用方向與d軸垂直而對主磁通影響甚微，所以直流電機的主磁通基本上唯一地由勵磁電流決定，這是直流電機的數(shù)學模型及控制系統(tǒng)比較簡單的根本原因。</p><p>　　如果能將交流勵磁電機的物理模型等效的變換成類

59、似直流電機的模型，分析和控制問題就可以大為</p><p>　　圖2-3 二極直流電機的物理模型</p><p>　　簡化。坐標變換正是按照這條思路進行的。在這里，不同電機模型彼此等效的原則是，在不同坐標系下所產生的磁勢完全一致。</p><p>　　對于交流電機，當它的三相對稱的靜止繞組A、B、C通過三相平衡的正弦電流、、時，所產生的合成磁勢是旋轉磁勢，它在空間

60、上呈正弦分布，以同步速度（即電流的角頻率）順著A-B-C的相序旋轉。</p><p>　　然而，產生旋轉磁勢并不一定非要三相電流不可，如圖2-4（b）所示為兩相靜止繞組和，它們</p><p>　　圖2-4 等效的交流電機繞組和直流電機繞組物理模型</p><p>　　在空間上互差，通以時間上互差的兩相平衡交流電流，也產生旋轉磁勢。當圖2-4（a）和（b）的兩個旋

61、轉磁勢大小和轉速都相等時，即認為圖2-4（b）的兩相繞組與圖2-4（a）的三相繞組等效。</p><p>　　再看圖2-4（c）中的兩個匝數(shù)相等且互相垂直的繞組D和Q，其中分別通以直流電流和，產生合成磁動勢，其位置相對于繞組來說是固定的。如果讓包含兩個繞組在內的整個鐵芯以同步轉速旋轉，則磁勢自然也隨之旋轉起來，成為旋轉磁勢。把這個旋轉磁勢的大小和轉速也控制成與圖2-4（a）和圖2-4（b）的磁勢一樣，那么這套旋轉

62、的直流繞組也就和前面兩套固定的交流繞組都等效了。當觀察者也站在鐵芯上和繞組一起旋轉時，在他看來，D和Q是兩個通以直流而互相垂直的靜止繞組。如果控制磁通的位置在D軸上，就和圖2-3的直流繞組物理模型沒有本質的區(qū)別了。這時，繞組D相當于勵磁繞組，繞組Q相當于偽靜止的電樞繞組。由此可見，以產生同樣的旋轉磁勢為準則，圖2-4（a）的三相繞組、圖2-4（b）的兩相靜止交流繞組和圖2-4（c）的整體旋轉的直流繞組彼此等效。</p>&

63、lt;p>　　2.2.2 3s/2s坐標變換</p><p>　　由三相靜止坐標系A-B-C到兩相靜止坐標系的變換簡稱3s/2s變換。如圖2-5所示繪出了ABC坐標系和坐標系，為方便起見，選擇軸與A軸重合，在保持磁動勢相同頻率不變的約束條件下，可求得3s/2s變換矩陣為：</p><p>　　即： </p><p&

64、gt;　　圖2-5 3s/2s 坐標變換</p><p>　　上式中，是為便于求反變換而增加的零軸分量，對于三相對稱繞組星形接法不帶零線時，，因此，。</p><p>　　由兩相至三相的變換為：</p><p>　　在實際電機中并沒有零軸電流，因此實際的電流變換式可寫為：</p><p><b>　?。?-29） </b&

65、gt;</p><p>　　（2-30） </p><p>　　電壓與磁鏈的變換式均與電流變換式相同。</p><p>　　2.2.3 2s/2r坐標變換</p><p>　　圖2-6 2s/2r 坐標變換</p><p>　　由兩相靜止坐標系到兩相旋轉坐標系的變換簡稱2s/2r。其中，s表示靜止

66、，r表示旋轉。把兩個坐標系畫在一起，如圖2-6所示。 在圖2-6中，d軸、q軸和矢量都以轉速旋轉，因此，分量、的大小不變，相當于D、Q繞組的直流磁勢。但軸和軸是靜止的，軸與d軸的夾角隨時間而變化，因此在軸和軸上的分量和的大小也隨時間變化，相當于、繞組交流磁勢的瞬間值。由圖可見，、和、之間存在著下列關系</p><p><b>　　寫成矩陣形式，得：</b></p>&l

67、t;p><b>　　式中：</b></p><p>　　是兩相旋轉坐標系變換到兩相靜止坐標系的變換陣。</p><p>　　對式（2-33）兩邊都左乘以變換陣的逆矩陣，可得</p><p>　　則兩相靜止坐標系變換到兩相旋轉坐標系的變換陣是：</p><p>　　電壓與磁鏈的變換式也與電流變換式相同。</p&

68、gt;<p>　　2.2.4 3s/2r坐標變換</p><p>　　要從三相靜止坐標系ABC變換到兩相旋轉坐標系dq0，其中“0”是為了湊成方陣而假象的零軸，可以利用前已導出的變換陣，先將ABC坐標系變換到靜止的坐標系（取軸與A軸一致），然后再從坐標系變換到dq0坐標系。綜合上述兩個變換陣可得變換式為：</p><p><b>　　其反變換式為：</b>

69、;</p><p>　　上式中，為兩相旋轉坐標d軸與三相旋轉坐標A軸間的夾角，它是一個變換量，dq坐標相當于ABC坐標的旋轉角速度為，當時，上述變換即為從三相靜止坐標到兩相同步旋轉坐標的變換。</p><p>　　上述變換矩陣通適用于電壓和磁鏈的變換。</p><p>　　2.3 d-q-0 坐標系中交流勵磁發(fā)電機的數(shù)學模型</p><p>

70、　　電機方程式除了用真實變量a-b-c坐標系標示外，還可以用多種坐標系來標示，其中包括：在空間靜止不動的坐標系、在空間隨轉子一起旋轉的坐標系、在空間以固定同步速轉動的坐標系。由于交流勵磁發(fā)電機有以下運行特點：</p><p>　　轉子轉速可以不等于同步速；</p><p>　　轉子繞組的合成磁勢旋轉相對于轉子速度可以不等于零；</p><p>　　定子側并入電網后，

71、電樞磁勢在空間的角速度等于電網角頻率即保持相對穩(wěn)定。所以，選用在空間以恒定同步速旋轉的坐標系d-q-0的變量代替a-b-c坐標系的真實變量來對電機進行分析，在穩(wěn)態(tài)時，各電磁量的空間合成相量相對于坐標軸靜止，這些電磁量在d-q-0坐標系上就不再是正弦交流量，而成了直流量。交流勵磁發(fā)電機非線性、時變系數(shù)微分方程組在d-q-o同步坐標系中變成了常系數(shù)微分方程組，電流、磁鏈等變量也以直流量的形式出現(xiàn)。</p><p>　

72、　2.3.1 電壓方程式</p><p>　　(1)定子電壓方程式</p><p>　　要實現(xiàn)a-b-c坐標系向同步坐標系d-q-0的變換，可以利用坐標變換矩陣來</p><p><b>　　進行。</b></p><p>　　式(2-3)兩邊左乘坐標變換矩陣得到：</p><p><b&g

73、t;　　或者：</b></p><p><b>　　(2-41) </b></p><p><b>　　對于定子繞組，，</b></p><p>　　d-q-0坐標系中定子電壓方程式可以表示為：</p><p>　　(2)轉子電壓方程式</p><p>　　式（

74、2-7）方程式中的變量可以看作是一個以角速度在空間逆時針方向旋轉的參照坐標系中的變量。因此，轉子各變量必須以角度差的關系變到同步坐標系d-q-0下，在經行類似定子電壓方程式坐標系變換中的簡化過程后，結果是：</p><p>　　2.3.2 磁鏈方程式</p><p>　　利用式（2-36）的變換陣將定子三相磁鏈和轉子三相磁鏈變換到dq0坐標上去。定子磁鏈變換陣就是，其中令d軸與定子a軸的夾

75、角為。轉子磁鏈變換是從旋轉的三相坐標變換到不同轉速的旋轉二相坐標，變換陣為，按兩坐標系的相對轉速考慮，在形式上與相同，只是角改為d軸與轉子a軸的夾角。</p><p>　　(2-44) </p><p>　　(2-45) </p><p>　　于是可將（2-16）式變換為：</p><p>　　將

76、分塊矩陣中各元素寫出并進行運算得：</p><p>　　最后，得到在dq0坐標系上的磁鏈方程式</p><p>　　(2-46) </p><p>　　式中 ——dqo坐標系同軸等效定子與轉子繞組間的互感；</p><p>　　——dq0坐標系等效二相定子繞組的自感；</p><p&g

77、t;　　——dq0坐標系等效二相轉子繞組的自感。</p><p>　　由于（2-46）第三、六兩行可知，磁鏈的零軸分量是各自獨立的，對d、q軸磁鏈毫無影響，以后在數(shù)學模型中可不再考慮。因此，式（2-46）可簡化為：</p><p>　　(2-47) </p><p>　　即為dq0坐標系下交流勵磁發(fā)電機的磁鏈方程。</p>&l

78、t;p><b>　　電磁功率方程式</b></p><p>　　將瞬時功率表達式（2-22）中的a-b-c變量變換到d-q-0同步坐標系的變量，可以表示為</p><p>　　將其化簡后可得到d-q-0同步坐標系變量表示的三相總輸出功率:</p><p>　　再將定子回路電壓方程式（2-42）代入整理后，又可得:</p>&

79、lt;p>　　式中第一部分為定子繞組中電阻的功率損耗，第二部分為與定子磁場能量的變化相對應的功率，第三部分為通過氣隙傳遞的功率。</p><p>　　在三相對稱穩(wěn)態(tài)運行時，如不計定子繞組的電阻，則發(fā)電機電磁功率：</p><p>　　按式（2-42）有:</p><p>　　代入（2-50）則：</p><p>　　dq0坐標系下的電磁

80、轉矩方程為：</p><p><b>　　式中：—電機極對數(shù)</b></p><p>　　2.4 交流勵磁發(fā)電機基本電磁關系</p><p>　　從以上分析可知，交流勵磁發(fā)電機轉子電流產生的基波旋轉磁勢相對于轉子以轉差角速度旋轉，相對于定子以同步速旋轉。該磁勢與定子三相電流產生的定子基波磁勢相對靜止，在氣隙中形成合成磁勢。根據(jù)電磁感應定律，該合

81、成磁勢在氣隙中產生的合成磁通將在定、轉子繞組中分別感應電勢和。另外，交流勵磁發(fā)電機從結構上看，當轉子采用三相對稱繞組，且通過三相交流電流勵磁是，就相當于一臺轉子方施加電壓的繞線式異步電機（與感應電機類似），因此我們可以參照異步電機的分析方法和等效電路，針對變速發(fā)電機的特點做相應的修改，以反映這種電機的內部電磁關系，從而有如下的定子側按照發(fā)電機慣例，轉子側按照電動機慣例的基本方程式和等效電路圖。其中轉子側的各個物理量都折算到定子側。<

82、;/p><p>　　(2-54) </p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　、、、分別為定子繞組中的感應電勢、電流、電阻和電抗；</p><p>　　、、、分別為轉子側繞組感應電勢、電流、電阻和電抗折算到定子后的歸算值；</p><p>　　、、分別

83、為勵磁繞組勵磁電流、磁化電阻、磁化電抗；</p><p>　　、、分別為定子電壓、轉子側的電壓歸算值和電機的轉速差。</p><p>　　由式（2-54）可以畫出相應的單相等效電路圖和時空相量圖，如圖2.7和2.8所示：</p><p><b>　　、</b></p><p>　　圖2-7 交流勵磁發(fā)電機單相等效電路圖

84、</p><p>　　圖2-8 交流勵磁發(fā)電機向量圖</p><p>　　如果給定定子電壓、定子電流、功率因素角和轉差s，且知道電機的電阻、電抗參數(shù)，則從電路圖中我們可以求出轉子電壓，轉子電流和勵磁電流。而如果定子輸出功率、電源電壓及功率因素一定時，該電機實際上只是轉子轉速或轉速差、轉子勵磁電壓與定子電壓相位差三個變量的函數(shù)。</p><p>　　注：下標1或s表

85、示定子側參數(shù)，下標2或r表示轉子側參數(shù)。</p><p>　　2.5 交流勵磁發(fā)電機能量流動與平衡關系</p><p>　　2.5.1 交流勵磁發(fā)電機能量流動關系</p><p>　　由于雙饋交流勵磁發(fā)電機的轉子側功率流動可以是雙向的，因此它具有與一般的異步發(fā)電機和同步發(fā)電機不同的特點。一般異步發(fā)電機在轉子轉速低于同步轉速時處于電動狀態(tài)，當轉子轉速高于同步轉速時處于

86、發(fā)電狀態(tài)。而對交流勵磁發(fā)電機來說，除了具有上述兩種工況外，還具有另外兩種工作狀態(tài)：超同步電動工況和次同步電動工況，在不同的工況運行時，具有不同的功率傳遞關系，如圖2.9所示。</p><p>　　（a） 電機次同步運行時的功率流向圖</p><p>　?。╞） 電機超同步運行時的功率流向圖</p><p>　　圖2-9 交流勵磁發(fā)電機不同工況下功率傳遞關系<

87、/p><p>　　2.5.2 交流勵磁發(fā)電機功率平衡關系</p><p>　　上面我們定性的分析了交流勵磁發(fā)電機功率傳遞關系，下面從等效電路出發(fā)定量研究其功率平衡關系。按異步電機分析方法將分解為，分解為，得到交流勵磁發(fā)電機的又一種等效電路圖，如圖2.10所示。</p><p>　　根據(jù)功率守恒定律，經氣隙傳遞的電磁功率在定子側可以表示為：</p><

88、p>　　同時，也可以用轉子側的功率來表示：</p><p>　　圖2-10 交流勵磁發(fā)電機等效電路圖</p><p>　　根據(jù)對，的分解，式（2-56）可以寫為：</p><p>　　由式（2-57）可知，交流勵磁發(fā)電機轉子上的功率平衡關系與異步電機不同，除了經轉子電阻上的銅耗（第一項）和轉子的機械功率（第二項）之外，交流勵磁發(fā)電機的轉子上還有勵磁系統(tǒng)輸入轉

89、子的電磁功率（第三項）以及與軸上機械功率有關的功率（第四項）。這樣交流勵磁電機軸上總的機械功率就應該等于等效電路圖2-10總的和所對應的功率之和。這個和功率為正則表明軸上的總機械功率轉化為電磁功率，若為負則表明電機將電磁功率轉化為機械功率并輸出。對于傳統(tǒng)的異步發(fā)電機來講情況不是這樣的，因為異步發(fā)電機轉子上沒有勵磁電壓（靠從系統(tǒng)來的無功功率來建立），傳統(tǒng)的異步發(fā)電機處于電動狀態(tài)還是處于發(fā)電狀態(tài)僅僅由來決定，即s的正負來決定，而對于交流勵磁

90、發(fā)電機來講，通過上面的分析可知，因為轉子電壓的大小、相位及頻率都是可調量，因此不管s正還是負都可以讓電機處于電動、發(fā)電狀態(tài)。</p><p>　　對于傳統(tǒng)的異步發(fā)電機，電磁功率，總機械功率，轉子銅耗由如下關系：</p><p>　　(2-58) </p><p>　　顯然式（2-58）對于交流勵磁發(fā)電機并不合適，但如何認為廣

91、義銅耗為：</p><p>　　則由式（2-56）和（2-59）可得：</p><p>　　還有從式（2-57）可知，發(fā)電機總機械功率為：</p><p>　　從而從式（2-57）、（2-59）、（2-60）、（2-61）可推知，總機械功率跟電磁功率關系為：</p><p>　　從而得出結論，在一定的條件下，交流勵磁發(fā)電機也有異步發(fā)電機式一樣

92、的功率關系式，這對以后的分析仿真有重要作用。</p><p>　　另外，由式（2-56）還可以得到輸入交流勵磁發(fā)電機（從勵磁系統(tǒng)出來的功率）的功率：</p><p>　　由式（2-63）表明，交流勵磁發(fā)電機存在一個臨界轉差率，當時勵磁系統(tǒng)的輸入有功為0，當時，勵磁系統(tǒng)將電功率輸入發(fā)電機轉子或發(fā)電機轉子通過勵磁系統(tǒng)將電功率回饋給電網。</p><p>　　當交流勵磁發(fā)

93、電機處于發(fā)電狀態(tài)時，通過分析可知，在時的發(fā)電狀態(tài)中，勵磁系統(tǒng)向電機轉子方輸人電功率，基本關系如下：</p><p>　?。ㄝ斎氲臋C械能—機械損耗）+（轉子輸入電能—轉子銅耗）—（介質損耗）=（定子輸出電能—定子銅耗）</p><p>　　而當時的發(fā)電狀態(tài)中，勵磁系統(tǒng)將轉子輸出的電功率回饋給電網，基本關系如下：</p><p>　?。ㄝ斎氲臋C械能—機械損耗）—（轉子輸

94、入電能+轉子銅耗）—（介質損耗）=（定子輸出電能—定子銅耗）而當電機處于電動狀態(tài)時，情況正好相反。</p><p>　　3 交流勵磁發(fā)電機勵磁系統(tǒng)矢量控制策略</p><p>　　3.1 矢量控制概述</p><p>　　矢量控制技術是交流轉動調速系統(tǒng)實現(xiàn)解耦控制的核心，它通過電機統(tǒng)一理論和坐標變換理論，把交流電動機的定子電流分解成磁場定向旋轉坐標系的勵磁分量和與之

95、相垂直的轉矩分量，然后分別對它們進行控制使交流電動機得到和直流電動機一樣的控制性能[3]。</p><p>　　借鑒這一思想，對于交流勵磁雙饋發(fā)電機系統(tǒng)來說，電機定、轉子的電流分別是工頻和轉差頻率的交流量，是一個高階的非線性強耦合的多變量系統(tǒng)，簡單的對交流電流進行閉環(huán)控制而不進行解耦，效果并不理想。而矢量控制可以在坐標變換的基礎上，簡單電機內部各變量間的耦合關系，簡單控制。</p><p>

96、;　　矢量控制理論首先由德國的F.Blaschke等人于1971年提出，后來日本學者首先將其應用于經理勵磁控制，當時就取得了很好的效果。從此經過30多年工業(yè)實踐的考研、改進與提高，目前已達到成熟階段。矢量控制可以簡化電機內部各變量之間的電磁耦合關系，即可以簡單控制。在理論上講，采用矢量控制技術可使得交流電機具有和直流電機某些方面一樣的控制效果。目前，矢量控制在交流電動機方面的研究取得了很多的成果并已大規(guī)模應用到生產實踐中，而將矢量控制技

97、術應用于發(fā)電機還處于研究階段。對于交流電動機的矢量控制，目前各種文獻較多。本文將討論矢量控制應用于交流勵磁發(fā)電機功率控制中。</p><p>　　標準的三相交流電流通過對稱的三相繞組時能產生一個旋轉磁場，這個旋轉磁場的頻率（或稱轉速）是和交流電流的頻率一致的，它的幅值是其中某一項電流幅值的1.5倍，這個磁場（或電流）是一個有方向、大小可旋轉的物理量，被稱為磁場矢量（或電流矢量），通過改變交流電流的頻率、幅值、相位

98、以及相序，可以方便的控制磁場矢量的大小及空間的相對位置。從物理上看，該磁場矢量是和一個可旋轉的，由一個單一直流線圈產生的磁場相等效。通過改變直流線圈中的電流來改變磁場的大小。通過控制線圈的轉速、位置、轉向來改變磁場的變換。換句話說，靜止的三相對稱交流電產生的磁場和旋轉的直流電流產生的磁場等效。</p><p>　　通過上面的分析我們可以認為，電機中的旋轉磁場矢量可以由產生它的三相交流電來控制，把這個旋轉矢量概念加

99、以推廣，就得到電壓矢量、電流矢量、磁場矢量等等。矢量控制就是通過對交流電流的控制來達到控制目標矢量空間的位置，使之能滿足我們的要求。</p><p>　　交流電機中的各種電磁量的關系，基本上都可以用各自相應的矢量來描述，它們之間的制約關系，也可以從矢量的分析。</p><p>　　交流勵磁發(fā)電機矢量控制的目標</p><p>　　交流勵磁發(fā)電機由兩套繞組：定子三相繞

100、組和轉子三相繞組。轉子繞組如果流動三相交流電流，就會在空間中產生旋轉磁場矢量，這個磁場矢量切割定子繞組產生三相電流。反過來，定子電流在空間中也產生旋轉磁場矢量，對轉子電流也會產生影響，使它的幅值、相位發(fā)生變化。交流勵磁發(fā)電機中的各個電磁量相互作用，可以認為是各相應矢量的相互作用。從效果上看，轉子的電壓矢量及電流矢量和定子電流矢量、電壓矢量存在一個相互制約的關系。在交流電機中，影響電機運行狀態(tài)的還有電機轉子的轉速和輸入轉矩。通過電機中的復

101、雜電磁耦合關系，交流電機的運行狀態(tài)正是由這幾個參量依照某些關系決定的。矢量控制的目標就是使這些復雜的關系達到充分解耦控制，實現(xiàn)控制簡單化。</p><p>　?。?）交流勵磁發(fā)電機的功率矢量控制</p><p>　　在交流電路中，除了電阻外還包括電抗，這使得電路中的電壓和電流產生相位差，在這種含有電抗的交流電路中，電壓和電流有值的乘積稱為視在功率。而有功功率是指電流消耗在電阻中的功率，數(shù)值

102、上是電流和電阻壓降的有效值乘積，無功功率是指電流和電抗壓降的乘積。由于正弦波電流可以由兩個相互正交的同頻率的正弦電流合成，所以，電流可以堪稱是如下兩個分量的合成：與電壓同相位的分量和與電壓相位相差90度分量。一般有功功率可以認為是電壓和與其相位的電流的乘積，無功功率可以認為是電壓與其正交的電流的乘積。無窮大電網的電壓和頻率被認為是不變的，當交流勵磁風力發(fā)電機并入這樣的電網之后，它的端電壓可以認為是常量，只有定子的電流是可以受到控制的，其

103、中和電壓同相的分量稱為有功分量，和電壓正交的分量稱為無功分量。因而對發(fā)電機功率的控制，在并網的條件下，可以認為是對電流的控制。</p><p>　　本文講述的功率矢量控制，就是指在并網時，考慮到轉子轉速以及輸入轉矩，根據(jù)發(fā)電機的電磁關系，通過控制轉子側勵磁電流矢量來控制發(fā)電機定子輸出的電流矢量，通過控制轉子側勵磁電流的有功分量和無功分量來達到有功和無功獨立調節(jié)的目的。從而，在本質上說，交流勵磁發(fā)電機的矢量控制就是

104、交流勵磁發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的矢量控制，下面就稱為勵磁系統(tǒng)的矢量控制。</p><p>　　終上所述，本論文對交流發(fā)電機的控制思路是：通過控制轉子側的勵磁電壓來控制轉子電流，使之滿足：</p><p>　　(1)電流中的頻率等于滑差頻率</p><p>　　(2)轉子電流的有功分量和無功分量按照某種比例變化，依據(jù)轉子電流和定子電流存在的某種內在關系，達到控制定子電流，也就

105、是輸出功率的結果。</p><p>　　3.2 現(xiàn)有交流勵磁發(fā)電機勵磁控制策略分析</p><p>　　交流勵磁發(fā)電機之所以具有超越同步發(fā)電機的良好調節(jié)特性、運行的靈活性和可靠性，除了其電氣結構上它有多相、對稱的轉子交流勵磁繞組外，關鍵在于它應有一套能充分發(fā)揮該電機運行特點的勵磁控制系統(tǒng)。因此交流勵磁發(fā)電機的勵磁控制研究備受關注。由大量文獻可知現(xiàn)有交流勵磁發(fā)電機勵磁控制策略，大約可分如下三

106、種：</p><p>　　第一類是前蘇聯(lián)學者提出，并應用與異步化汽輪機（交流勵磁發(fā)電機）上的雙通道多變量反饋勵磁控制系統(tǒng)。</p><p>　　第二類是基于同步電動機變頻調速矢量控制的矢量勵磁控制系統(tǒng)。</p><p>　　第三類是基于交流電機多變量模型基礎上的多變量勵磁控制系統(tǒng)。</p><p>　　這三類勵磁控制系統(tǒng)的共同點都是：在電機數(shù)

107、學模型基礎上，通過簡化，找到其穩(wěn)態(tài)情況下的有功無功的解耦模型，從而構成勵磁控制系統(tǒng)，且都能實現(xiàn)有功無功的獨立調節(jié)。這三類勵磁控制策略都是根據(jù)交流勵磁發(fā)電機在同步坐標系下定子的有功和無功功率只與轉子勵磁電流的d、q軸分量有關這一基本原則推出的。</p><p>　　日本學者所提出的矢量控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)下有功無功的充分解耦，而且在控制模型的理論推導中做的一些簡化（如忽略定子定阻等)不會造成控制模型仿真進度的大幅度

108、下降，雖然它會增加系統(tǒng)的復雜性，但是能借助先進的微機系統(tǒng)。該勵磁控制策略精度較高，從而本文采用基于矢量控制的勵磁控制策略。</p><p>　　3.3 交流勵磁發(fā)電機勵磁系統(tǒng)矢量控制策略</p><p>　　3.3.1 交流勵磁發(fā)電機矢量控制策略</p><p>　　交流勵磁發(fā)電機的工作方式可分為以下兩種：（1）功率控制方式：在轉子轉速可變情況下，以輸出有功和無功為

109、控制對象，通過調節(jié)轉子電壓幅值和相位使電機輸入的有功和無功等于給定值；（2）速度控制方式：在有功和無功可變情況下，以轉子轉速為控制目標，通過調節(jié)勵磁電壓幅值和相位使電機轉速等于給定值。</p><p>　　在交流電機中，共有七個基本矢量：定子電壓、轉子電壓、定子電流、轉子電流、定子繞組總磁鏈、轉子繞組總磁鏈、氣隙合成磁鏈。選擇不同的矢量定向，所得的控制效果和控制性能也不盡相同。在同步電機矢量控制中，通常采用的是以

110、氣隙合成磁鏈定向。但是在交流勵磁發(fā)電機的情況下這種定向方法不太合適，因為在發(fā)電機定子繞組中存在漏抗壓降的影響，若以氣隙磁鏈定向，發(fā)電機的端電壓矢量與控制參考軸之間會有一定的相位差，這樣有功、無功電流分量的計算就會變得相當復雜，使控制系統(tǒng)復雜化，將影響控制系統(tǒng)實時性處理?？紤]到發(fā)電機是在頻率400Hz左右運行，在這樣的頻率下，通常的定子繞組的電阻可以忽略不計。此時，定子繞組總磁鏈與定子電壓的矢量之間的相位正好相差90度，因此在實際應用中，

111、以定子電壓矢量或者以定子繞組總磁鏈為參考矢量（定向矢量） ，可使控制系統(tǒng)變得相對簡單。</p><p>　　為了實現(xiàn)d-q軸系變量之間的解耦，本文采用定子磁場定向，即將以同步速旋轉的d-q坐標系中的d軸與定子總磁鏈的方向重合，在忽略定子繞組的電阻時，發(fā)電機的定子電壓矢量將在負q軸上，如圖3.1所示。因而有如下的矢量控制的約束條件：</p><p>　　(3-1)